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孔板流量計與渦街流量計組合測量氣液兩相流實驗

作者: 來源: 發布時間:2020-04-22 11:25:17

       摘要:蘇裏格氣田在井間串接、井口帶液計量模式下,存在單井產液量無法準確計量的問題。基於孔板流量計、渦街流量計流體測量理論,將兩種流量計串聯組合,開展了不同液氣比條件下的空氣-水兩相流室內實驗,並將不同液氣比情況下孔板流量計、質量流量計與組合測量裝置空氣、水的計量誤差進行對比。結果表明:當液氣比為 0~100 m3(/ 104 m3)時,氣相測量誤差均低於 5%;當液氣比為 3~86 m3(/ 104m3)時,液相測量誤差基本低於 10%。孔板與渦街流量計組合測量裝置的液相測量範圍廣,可以為蘇裏格氣田排水采氣井的氣液兩相計量提供技術支持。(圖 3,表 2,參 20)

 
       目前,國內外較成熟的氣液兩相流的計量主要采用兩種方式:①兩個或多個單相流量計組合,根據不同單相流量計對濕氣計量的不同虛高特征,建立不同數據模型聯合求解得出氣液兩相流量[1-8],如天津大學的TTWGF 型內錐+文丘裏凝析天然氣兩相流量計[9-11]、英國 Solartron 公司的混合器+雙文丘裏氣液兩相流量計[12];②將單相流量計與微波、射線、示蹤、成像、超聲波等技術相結合[13-14],測量總流量及含氣/液率,如挪威 Roxor 公司的 V 錐流量計與微波傳感器組合式兩相流量計[12]、蘭州海默科技有限公司的文丘裏流量計與低能伽馬射線吸收技術組合式兩相流量計。長慶蘇裏格氣田為典型的“三低”氣田,為實現低成本經濟高效開發,整個氣田采用井下節流[15]、井間串接、井口帶液計量的中低壓集氣模式[16],單井計量則采用孔板流量計或旋進旋渦流量計在井口處計量產氣量,數據無線遠傳。但該工藝無法計量單井產液量,且在含液狀態下氣量計量誤差較大,給開展氣井排水采氣措施及效果評價帶來困難,製約了氣田精細化管理。為了掌握排水采氣氣井的出液情況,現場采用橇裝分離計量裝置移動測試氣井氣液產量,但該裝置施工複雜、成本高昂。“十二·五”期間,長慶油田開發了一種低成本的錐形孔板氣液兩相流量計[17],通過差壓噪音信號與含液率之間的關係模型實現氣液兩相在線計量,但該技術隻適用於氣井投產初期產量較高的小液量穩定流氣井。隨著蘇裏格氣田氣井產量逐年下降,目前已大麵積采用排水采氣措施以維持正常生產,氣井出液規律主要為間歇出液,每天瞬時液量由 0 至幾十萬立方米,大大增加了氣液兩相計量的難度。
 
       但上述兩種主要類型的流量計成本均較高,無法滿足蘇裏格氣田低成本開發的需求。為此,提出了將孔板流量計與渦街流量計相組合測量氣液兩相流量的新方法,采用室內空氣-水兩相流進行實驗,以期為蘇裏格氣田氣井實現低成本開發提供參考。
 
1 測量原理
1.1 渦街流量計
       渦街流量計適用於氣體、液體等均相流體流量的測量。當流體經過渦街流量計時,在三角柱的旋渦發生體後的兩側交替產生正比於流速的兩列旋渦,旋渦的釋放頻率與流體平均速度有關[18-19]。通過渦街傳感器測量旋渦釋放頻率,即可測出流體的平均流速及工況總流量,其計算式為:
工 況總流量
       式中:qV 為經過渦街流量計的總體積流量,m3/h;f 為旋渦的釋放頻率,Hz;L 為旋渦發生體的特征寬度,mm;St 為斯特勞哈爾數;A 為流體流過旋渦發生體的截麵積,m2。
 
1.2 孔板流量計
       孔板流量計適用於液體、氣體、蒸汽等均相流體流量的測量。當流束流經管道內節流件時,會發生局部收縮,使流速增加,並導致靜壓力降低,在節流件前後產生壓降。介質流體的流量越大,在節流件前後產生的壓差越大,因此孔板流量計可以通過測量壓差來衡量流體流量[20],其計算式為:
壓差來衡量流體流量計算公式
 
       式中:q m 為經過渦街流量計的流體總質量流量,kg/h; C 為流出係數;β 為節流裝置直徑比;ε 為膨脹係數;d 為孔板孔徑,mm;ρ 為流體密度,kg/m3;Δp 為壓差,MPa。
 
1.3 氣液兩相流量測量
       當氣液兩相流均勻混合時,可將其視為均相流。孔板流量計與渦街流量計技術成熟,成本低廉,將兩者串聯組合,同時測量氣液混合流體的總流量。當流體先後通過孔板流量計與渦街流量計時,由於基本處於同一壓力、溫度係統,理論上兩個流量計測得的混合流體總流量應相等,並由此推導計算出混合流體密度 ρ-:
混合流體密度計算公式
       理論上,混合流體工況體積流量為氣、液兩相的體積流量之和,而質量流量則為氣、液兩相的質量流量之和,即:
為氣、液兩相的質量流量公式
       式中:q g、q l 分別為氣體流量、液體流量,m3/h;ρ g、ρ l 分別為氣體密度、液體密度,kg/m3。
 
       通過取樣化驗,可以得出氣、液各相的標況密度,液相密度與標況密度一致,而氣相密度則采用理想氣體狀態方程計算:
理想氣體狀態方程計算公式
       式中:p 0 為管道所在區域的標準大氣壓,MPa;ρ g0 為氣相標況密度,kg/m3;t 為流體溫度,℃;p 為流體壓力,MPa。
 
       由式(5)~式(7)即可推導出氣、液兩相體積流量:
出氣、液兩相體積流量計算公式
 
2 組合測量實驗
       由於室內不具備使用氣田采出液與天然氣混合兩相流的實驗條件,因此采用目前中國各研究機構的通行做法,即使用空氣-水兩相流進行模擬實驗,評估孔板流量計與渦街流量計相組合測量氣液兩相流量的測量精度。
 
2.1 實驗裝置
       孔板與渦街流量計組合測量裝置(圖 1)由氣液混合器、孔板流量計、渦街流量計串聯組成。該測量裝置管內徑為 50 mm,孔板流量計孔板孔徑為 15 mm。氣液混合器可避免氣液兩相流出現層狀流而影響測量精度,流量計算機通過采集孔板流量計的差壓、壓力、溫度參數再結合渦街流量計測得的體積流量參數,通過式(8)、式(9)計算出氣液兩相流量。
孔板與渦街流量計組合測量實驗裝置結構示意圖
2.2 實驗流程
       實驗參數如下:實驗介質為水、空氣,密度分別為 1.209 kg/m3、998 kg/m3;實驗溫度為常溫;空氣管道內徑為 50 mm;水管道內徑包括 40 mm 和 15 mm 兩種,並聯為兩路;空氣與水混合後管道內徑為 50 mm;實驗壓力為 0.8~0.9 MPa;水流量選取 0.01~1.5 m3/h之間 16~21 個流量測量點;空氣與流量選取 100 m3/h、150 m3/h、200 m3/h 這 3 個流量測量點;液氣比範圍為0~100 m3(/ 104 m3)。
 
孔板流量計與渦街流量計組合測量氣液兩相流量實驗流程(圖 2)及其具體步驟如下。
(1)由空氣壓縮機將空氣升壓後進入儲氣罐穩流,然後采用氣量調節閥對其進行流量調節,再通過孔板流量計計量空氣流量。
(2)由水泵將水升壓後進入儲水罐穩壓,然後采用水流量調節閥對其進行流量調節,再通過質量流量計計量液體流量。
(3)將單獨計量後的空氣和水進行混合,再流經孔板與渦街組合測量裝置進行氣液兩相流量測量。
(4)以孔板流量計計量的空氣流量為標準,將孔板與渦街組合測量裝置測得的空氣流量與其進行對比,計算空氣測量誤差;以質量流量計計量的水流量為標準,將孔板與渦街組合測量裝置測得的水流量與其進行對比,計算水測量誤差。氣相流量、液相流量測量誤差的計算式分別為:
氣相流量、液相流量測量誤 差的計算式孔板與渦街流量計組合測量空氣-水兩相流室內實驗流程圖
 
       通過調節不同液氣比下空氣、水的流量,待流量計瞬時流量顯示穩定後,記錄孔板流量計測量的空氣瞬時流量、質量流量計測量的水瞬時流量、孔板與渦街組合測量裝置測量的空氣及水瞬時流量。根據式(10)、式(11),計算在不同液氣比下孔板與渦街組合測量裝置的空氣流量、水流量的測量誤差(表 1)。
 不同液氣比下孔板流量計、質量流量計及孔板與渦街流量計組合測量空氣、水的測量誤差對比
 
3 實驗結果
       結合蘇裏格氣田實際情況,實驗選取液氣比在0~100 m3/(104 m3) 範圍內開展。在所選取的範圍內,氣相誤差均低於 5%(圖 3a),表明孔板與渦街組合測量裝置的氣相測量誤差隨液氣比變化波動不大。當液氣比處於 3~86 m3(/ 104 m3)範圍(圖 3b)時,液相誤差基本低於 10%;當液氣比小於 3 m3(/ 104 m3)時,大部分測量點的液相誤差超出10%;當液氣比小於1 m3(/ 104 m3)時,液相誤差超出 48%,zui大達到 266.67%。
孔板與渦街組合測量裝置測量氣液兩相的誤差隨液氣比 變化趨勢圖
       目前,中國已在氣田現場試驗應用的氣液兩相測量技術主要有天津大學的內錐與文丘裏相組合的凝析天然氣測量技術、長慶油田油氣工藝研究院的錐形孔板氣液兩相測量技術等[9-10,17]。與上述兩種技術相比,孔板與渦街組合測量技術的測量精度基本相同,但其液氣體比達到 3~86 m3(/ 104m3),表明液相流量測量範圍更廣,更適用於蘇裏格氣田排水采氣氣井的氣液兩相計量(表 2)。
 孔板與渦街組合測量與兩種常用的氣液兩相測量技術對比
 
4 結論
       (1)將孔板流量計與渦街流量計組合串聯,可測得氣液混合流體平均密度,進而實現混合流體的氣液兩相流量測量,為蘇裏格氣田的排水采氣井的氣液兩相計量提供了技術思路。
       (2)由於空氣-水兩相流與氣田現場的氣液兩相流物理性質存在較大差異,采用空氣-水作為實驗介質模擬現場真實的氣液兩相流存在一定局限性,下一步需要開展氣田現場實流測試,對組合測量裝置結構進行優化,降低氣田開發成本。
 
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